柴油机喷油器内部空化流动的数值模拟研究*

蔡 龙 雷基林 宋国富 申立中 毕玉华 贾德文

(1－昆明理工大学云南省内燃机重点实验室云南昆明650500 2－昆明云内动力股份有限公司)

引言

柴油机凭借其独特的性能优势，得到了越来越广泛的应用。然而，随着能源问题的日益凸显与新排放法规的不断出台，对柴油机经济性能和排放性能提出了更高的要求。提高柴油机经济性能和降低排放的最有效的办法就是提高油气混合气的质量，改善燃烧。研究表明，喷油嘴喷孔内部紊乱的燃油流动对燃油喷束雾化造成的影响，远远大于由喷束与周围空气产生摩擦所造成的影响［1～3］。通常喷孔直径为10－1 mm数量级，喷油持续期只有2ms左右，燃油流动速度达到102m/s数量级。因此，直接试验、观察喷孔内部流动比较困难。此外，喷孔内部的流动还会引起喷孔局部压力骤降，甚至出现负压力现象，这会导致喷孔内部燃油发生局部空化，喷孔内部流动从单相流转化为气－液两相流。基于CFD技术的三维数值模拟方法可以详细地描绘喷嘴内部流动情况和空化现象，得到常规试验方法很难获得的结果。本文利用数值模拟的研究方法，研究了不同针阀升程下，喷油压力对喷孔内部燃油流动的影响。

1 模型建立

1．1 几何模型建立

本文主要针对一款SAC(有压力室)型喷油器进行内部流动CFD分析。喷油器基本几何参数如下:喷孔数n=6;喷孔直径 D=0．129mm;喷孔长度 L=1．05mm;针阀体与喷孔轴线之间夹角(即喷孔倾角)α=78°;针阀最大升程为0．28mm。由于各喷孔沿圆周方向均匀分布，考虑到喷嘴的几何对称性，计算时只选取1/12模型作为计算模型。利用Siemens UG软件建立三维实体模型，如图1所示。

图1 1/12喷嘴三维实体模型

1．2 计算模型建立

首先，利用AVL－Fire软件的前处理工具，采用模块化方法对计算区域进行网格划分，所有网格均为六面体网格。图2为局部网格模型，整体计算网格总数约为70万。针阀开启时刻为328°CA，关闭时刻为362°CA。针阀升程H随曲轴转角的变化规律如图3所示。

进出口均采用压力边界条件，进口压力Pin=160MPa，出口压力 Pout=5MPa。柴油液相、气相物理属性如表1所示。计算时假设柴油为不可压缩流体，不考虑柴油流动过程中能量损失和转化，忽略柴油黏度随温度、压力变化的影响。只考虑气液两相之间的动量、质量交换，忽略两相之间的热量交换。

图2 局部网格模型

图3 针阀升程曲线

表1 液相、气相柴油物理属性

2 计算控制方程

2．1 守恒方程

采用欧拉双流体法分别计算两相流中气相及液相的守恒方程［4］，两相之间的相互作用通过质量和动量交换来描述。

连续性方程为:

动量方程为;

2．2 气液两相界面交换方程

随着气泡的生成与溃灭，气液两相间存在着质量与动量交换［5、6］。

质量交换的基本方程为:

结合(4)、(5)式，将方程(3)线性化，并忽略其中惯性量，则质量交换方程为:

N〞为气泡数密度，一般由经验公式(6)推出。

N〞0是初始气泡数密度，一般取 N〞0=1012，α1表示气相平均体积分数。CCR为经验系数，一般情况下取CCR=1;sign为函数符号;△p是导致气泡生成与溃灭的有效压力差;ρ1、ρ2分别表示气相与液相的密度;CE为Egler系数，取决于当地流场的湍流水平，取CE=1．2;K2为液相湍动能;psat表示饱和蒸汽压。

动量交换方程为:

其中Vr=V1－V2，V1表示气相的速度，V2表示液相的速度;CTD为湍流扩散系数;C1为气泡在液体中的运动阻力系数。

2．3 湍流方程

湍动能输运方程为［7］:

湍流耗散率输运方程为:

3 计算结果及分析

3．1 针阀上升对喷孔内空化影响的分析

基于以上数值计算模型，首先开展针阀运动对入口无倒角的喷孔内部空化的影响研究。

针阀开启的过程中，喷孔内部空化的发展如图4所示。针阀升程为0．10mm时，喷孔入口的顶部开始出现明显的空化区域，但是此时的空化区域面积较小、空化程度不严重;随着针阀升程升至0．12mm，空化区域逐渐增大，完全空化的区域开始出现;针阀上升至0．16mm时，空化区域迅速扩大，空化前端已发展至喷孔的中段，其中完全空化的区域也明显增大;针阀上升至0．20mm时，空化区域继续发展、扩大;针阀升程达到0．24mm时，空化区域的前端呈现尖锐的箭头状，并且已经接近喷孔出口，完全空化区域的前端也已经冲过喷孔的中段;针阀升程达到0．28mm，此时针阀完全打开，空化已经发展至喷孔出口处，空化区域面积占整个截面接近一半。

图4 R=0mm，针阀开启过程中空化的发展

对计算模型中喷孔入口处形状进行改进，增加了R=0．015mm和R=0．030mm倒角。计算后发现，增加倒角对喷孔内部的空化有明显的改善作用。在整个针阀上升过程中，与没有倒角时相比，此时的空化初生时刻推迟，空化区域面积和空化严重程度显著下降。其中，R=0．015mm倒角的计算模型中，针阀升程为0．12mm时开始出现空化;R=0．030mm倒角的计算模型中，针阀升程为0．16mm时开始出现空化。由此可见，随着喷孔入口处倒角尺寸的增加，空化初生时刻逐渐推迟。图5为针阀完全打开时，不同喷孔入口倒角的空化对比。通过与图4对比可以发现，针阀全开时，有倒角的喷孔空化区域远小于没有倒角的喷孔空化区域，且没有贯穿整个喷孔;倒角R=0．030mm喷孔的空化区域面积要小于倒角R=0．015mm喷孔的空化面积。

图5 针阀全开时不同入口倒角空化对比

3．2 针阀升程不变时喷孔出口的空化分析

由针阀升程曲线图3可知，335°CA曲轴转角至355°CA曲轴转角期间，针阀升程保持在0．28mm，此时入口无倒角的喷孔内空化还在继续发展，并且一直贯穿整个喷孔。

针阀升程固定不变时喷孔出口平面的空化分布，如图6所示。可以看出，335°CA至339°CA的过程中，喷孔出口平面的空化面积逐渐增大，但是并没有出现完全空化的情况;从341°CA开始，喷孔出口平面的空化面积逐渐减小，但空化程度开始加剧，开始出现完全空化的区域;从343至351°CA，喷孔出口平面上都形成了完全空化的区域，但出口平面的空化面积与空化分布都基本一致，说明此过程中喷孔内部的空化基本达到稳定状态;353°CA时，空化面积保持不变，空化严重程度略有下降，但总体上趋于稳定。

图6 R=0mm，针阀升程不变时喷孔出口空化

3．3 针阀下降对喷孔空化影响的分析

针阀下降过程中，入口无倒角的喷孔内部的空化发展如图 7所示。针阀升程由 0．20mm下降到0．04mm的过程中，喷孔内部的空化区域均出现在贴近喷孔上顶面的位置，呈细长状，都延伸至喷孔出口，面积基本不变，但是空化程度有所改变。针阀升程为0．20mm时，完全空化的区域比较小，并没有延伸至喷孔出口;随着针阀升程的下降，完全空化的区域逐渐增加，向喷孔出口处发展;当针阀升程为0．04mm，完全空化的区域已经延伸至喷孔出口;针阀升程下降至0．01mm，喷孔内部已经发生大面积的空化现象，空化面积已经超过整个截面的四分之三，其中完全空化区域已经接近整个截面的二分之一。

图7 R=0mm，针阀关闭过程中空化的发展

对于入口处有倒角的喷孔，针阀升程从0．28mm下降到0．12mm的过程中，喷孔内部的空化都基本保持不变;针阀升程下降到0．12mm以下时，入口处有倒角的喷孔内部空化才有明显的发展和变化。

图8为针阀下降过程中，入口倒角R=0．015mm喷孔的空化发展过程。针阀升程从0．12mm下降到0．06mm的过程中，喷孔内部的空化发展相对缓慢;针阀升程从0．04mm下降到0．01mm的过程中，喷孔内部的空化发展比较迅速;在针阀升程下降至0．01mm时，针阀即将关闭，此时喷孔内部空化急剧发展，并贯穿整个喷孔。

图9为针阀下降过程中，入口倒角R=0．030mm喷孔的空化发展过程。针阀升程为0．12mm时，空化区域很小;针阀下降至0．04mm时，空化的前端已经冲过喷孔的中段;针阀即将关闭的0．01mm处，喷孔内部空化区域接近整个截面的三分之一，但是并没有延伸至喷孔出口平面。

图8 R=0．015mm，针阀关闭过程中空化的发展

图9 R=0．030mm，针阀关闭过程中空化的发展

对比图7、图8与图9，可以发现，在针阀下降过程中，增加入口处倒角可以缓解喷孔内部的空化;入口处倒角从R=0．015mm增加至R=0．030mm，可以有效降低喷孔内部空化区域和空化程度，并阻止空化向喷孔出口处蔓延。

4 结论

1)采用欧拉双流体法，应用线性空化模型对喷油器内部流动进行气、液两相流的动态模拟研究，得到了试验中难以观察的空化发展情况，对研究喷孔内的燃油空化规律有一定指导意义。

2)入口倒角R=0mm，针阀打开的过程中，随针阀升程的不断增加，喷孔内部的空化迅速发展，空化区域逐渐增大;针阀升程保持不变时，喷孔内部空化基本稳定，但喷孔出口平面的空化继续发展，逐渐出现完全空化现象并趋于稳定。针阀开闭的过程中，喷孔内部总的空化区域基本稳定，但是完全空化的区域逐渐增大，在针阀即将关闭之前，完全空化区域贯穿整个喷孔。

3)喷孔入口增加倒角，可以有效抑制空化现象的产生;在针阀关闭过程中，倒角尺寸的增加可以更好地控制喷孔内部空化的发展。

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3 玉木伸茂．喷油嘴喷孔空穴现象对液体喷束雾化的影响［J］．国外内燃机，1998，338(8):23 ～29

4 AVL FIRE CFD － Solver．2008

5 何志霞，李德桃，胡林峰，等．喷油器喷嘴孔内部空穴两相流动数值模拟分析［J］．内燃机学报，2004，22(5):433～438

6 何志霞，袁建平，李德桃，等．柴油机喷嘴结构优化的数值模拟分析［J］．内燃机学报，2006，24(1):35～41

7 陶文铨．数值传热学［M］．西安:西安交通大学出版社，1988